托卡马克中等离子体旋转与反馈对电阻壁模的协同作用

发布时间：2020-05-13 13:37

【摘要】：在先进托卡马克(高比压、大自举电流、长脉冲)中,例如ITER装置,电阻壁模不稳定性备受人们关注,因为它限制了装置的比压,影响未来聚变反应堆的经济效益。电阻壁模被认为是外扭曲模与导体壁相互作用后的残余部分,而外扭曲模是托卡马克中最危险的磁流体不稳定性之一,其模式结构具有全局性,一般由等离子体电流或压强驱动,一旦增长起来将造成等离子体大破裂。理论研究发现足够靠近等离子体边界的理想导体壁能完全稳定住外扭曲模,但是由于实际导体壁中有限的电阻,外扭曲模会变成一种增长缓慢的不稳定模式,其增长率从阿尔芬时间尺度下降到导体壁的电阻扩散时间尺度,这种新的不稳定模式被称为电阻壁模,虽然它的增长率很小,但是当放电时间大于导体壁电阻扩散时间时,如先进托卡马克长脉冲或稳态运行,电阻壁模会缓慢增长起来,它也具有全局的性质,通常模式在未达到饱和之前就可能导致等离子体大破裂,引起托卡马克放电的终止。电阻壁模限制着磁约束聚变装置的运行参数空间(放电时间和比压),为了使先进托卡马克的经济效益最大化,稳定电阻壁模至关重要。稳定电阻壁模的方法主要有两种：一种是基于环向等离子体旋转的被动方法,另外一种是基于反馈线圈控制的主动方法。在过去二十几年的研究里一般都是单独考虑被动方法或主动方法对电阻壁模的稳定作用,然而在实际的托卡马克装置实验中,等离子体旋转和反馈控制是同时存在的,因此研究两者对电阻壁模的协同作用是非常重要的,也是必要的。为此,我们基于JET-like平衡运用MARS程序系统地研究了等离子体旋转与反馈控制对电阻壁模的协同作用,同时在研究中考虑了不同的阻尼效应。首先在磁流体模型下数值研究了等离子体旋转、反馈控制单独对电阻壁模的稳定作用,并与两者协同作用时的结果比较,发现等离子体旋转结合反馈控制能帮助电阻壁模产生两个稳定窗。其次在动理学模型下数值研究了进动漂移动理学效应结合等离子体流以及反馈控制对电阻壁模的稳定作用,发现负相位角能增强协同作用,减小稳定电阻壁模所需要的临界反馈增益幅值。最后用解析方法验证了动理学模型下等离子体旋转与反馈控制对电阻壁模协同作用时数值模拟结果的正确性,发现最优化的上下反馈线圈相位角能稳定电阻壁模。本文安排如下：第一章,简单介绍了核聚变能源的研究背景以及托卡马克中各种磁流体不稳定性,其中包括电阻壁模的研究进展。第二章,简要描述了MARS程序的数值模型,主要介绍了程序是如何实现环向等离子体旋转与反馈控制对电阻壁模的协同作用,以及漂移动理学效应如何通过压强张量耦合到线性化磁流体方程组中形成一个自洽的系统。第三章,运用磁流体模型系统地研究了托卡马克中等离子体旋转与反馈对电阻壁模的协同作用,发现反馈控制结合旋转阻尼能帮助电阻壁模在靠近等离子体边界处产生一个新的稳定窗。其中等离子体旋转对两个稳定窗都有影响,而反馈增益主要影响新稳定窗的范围,随着增益幅值的加大,模式增长率逐渐减小,稳定窗范围扩大。协同作用时,等离子体电阻起着重要的稳定作用。第四章,结合进动漂移动理学效应和等离子体电阻研究了电阻壁模的稳定性变化,发现相比理想等离子体模型,等离子体电阻能扩大稳定区域。当进动漂移动理学效应与反馈控制协同作用时,电阻壁模也能产生两个稳定窗,并且当上下反馈线圈之间无相位差时,负相位角能促使电阻壁模沿着等离子体旋转的方向运动,增强共振阻尼效应,减小稳定电阻壁模所需要的临界增益幅值。第五章,解析研究了动理学模型下等离子体旋转与反馈控制对电阻壁模的协同作用,并验证了以上数值模拟结果的正确性。求解电阻壁模的非线性色散方程能得到四个根。同时发现当上下对称的反馈线圈中存在相位差时,优化的相位角能增强协同作用,完全稳定住电阻壁模。第六章,对本文的研究结果进行总结,并展望未来的工作。
【图文】：

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而且线圈之间相互嵌套，安装拆卸困难。一种方法是用一组同一电流方向的螺旋线逡逑圈代替原来的两种线圈，而它们产生的垂直方向磁场由另一组水平方向的垂直场线圈抵逡逑消，如图１．３所示日本ＬＨＤ仿星器。另外一种方案是将环向场线圈的中也不再排列在逡逑同一平面的圆周上，，而是排列在一个绕圆周的螺旋线上。仿星器中欧姆驱动或外部驱动逡逑的环向电流很小甚至为零，它是自然的稳态运行装置，激发大破裂的可能性小，但是它逡逑的线圈工艺复杂、单粒子约束性能差。逡逑Ｐｅｒｔｕｒｂａｔｉｏｎ邋ｃｏｉｌｓ逡逑Ｐｌａｓｍａ邋ｓｈａｐｅ逡逑图１．３邋ＬＨＤ仿星器示意图ｌ＂］逡逑Ｆｉｇ．邋１．３邋Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ邋ｄｉａｇｒａｍ邋ｏｆ邋ｔｈｅ邋ＬＨＤ【＂］逡逑反场猫缩ＩＳ＇１１１是一种环形轴对称磁约束聚变装置，它的螺旋磁场由等离子体电流产逡逑生的极向磁场与外部线圈产生的环向磁场构成，且在中私处的环向磁场和边缘处的磁场逡逑反向，如图１．４所示，由此可Ｗ产生很强的磁剪切，对磁流体不稳定性有致稳作用。在逡逑反场湿缩中环向磁场与极向磁场的磁感应强度接近，所需要的外部线圈中的电流小。另逡逑夕ｈ在理论上反场猫缩可通过欧姆加热到点火条件，相比其他加热手段，欧姆加热简逡逑单、高效、低廉

示意图,反场,磁场,托卡马克

Ｆｉｇ．邋１．４邋Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ邋ｄｉａｇｒａｍ邋ｏｆ邋ｍａｇｎｅｔｉｃ邋ｆｉｅｌｄ邋ｏｆ邋ｔｈｅ邋ＲＦｐｌｉｉ］逡逑托卡马克ｎ４’邋ｉｓ］也是一种轴对称的环形聚变装置，拥有螺旋磁场公，与反场缠缩相似，逡逑但托卡马克的环向磁场马远远大于极向磁场度，，如图１．５所示。托卡马克（ｔｏｋａｎｍｋ）逡逑一词由俄语＂ｔｏｒｏｋｌ，ｋａｍｅｒａ，邋ｍ巧ｎｉｔ，邋ｋａｔｕｓｈｋａ＂缩写而来，意思为＂环形真空磁笼＂，它逡逑是由前苏联库尔恰托夫研究所的阿齐莫维奇发明的，第一个托卡马克命名为Ｔ－１。托卡逡逑马克的主体包括两大部分：真空系统和磁场系统。真空系统由容纳等离子体的真空室和逡逑抽气系统组成，真空室一般由薄壁不镑钢制成，既要考虑到足够的机械强度，又要有足逡逑少＂逡逑逦＝－逦＾逦———＞逡逑Ｒ逡逑图１．５托卡马克磁场示意图Ｍ逡逑Ｆｉｇ．邋１．５邋Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ邋ｄｉａｇｒａｍ邋ｏｆ邋ｍａｇｎｅｔｉｃ邋打ｅｌｄ邋ｏｆ邋ｔｈｅ邋ｔｏｋａｍａｋ［ｉ４１逡逑－８－逡逑
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TL631.24

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